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DE102017218631A1 - Man-machine interface and method of operating such - Google Patents

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DE102017218631A1
DE102017218631A1 DE102017218631.3A DE102017218631A DE102017218631A1 DE 102017218631 A1 DE102017218631 A1 DE 102017218631A1 DE 102017218631 A DE102017218631 A DE 102017218631A DE 102017218631 A1 DE102017218631 A1 DE 102017218631A1
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sensors
holding device
acceleration
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Holger Urbanek
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mensch-Maschine-Interface (10), mit einer Vielzahl von Beschleunigungssensoren (12), mindestens einer Haltevorrichtung (14), die die Beschleunigungssensoren (12) an der Haut (16) eines Benutzers hält, und einem Prozessor zum Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus den von dem Beschleunigungssensor erfassten Muskelbewegungen des Benutzers.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Mensch-Maschine-Interface.

Figure DE102017218631A1_0000
The invention relates to a human-machine interface (10) comprising a plurality of acceleration sensors (12), at least one holding device (14) holding the acceleration sensors (12) to the skin (16) of a user, and a processor for computing a user-desired input command from the muscle movements of the user detected by the acceleration sensor.
The invention further relates to a method for operating a human-machine interface.
Figure DE102017218631A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Mensch-Maschine-Interface und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.The invention relates to a human-machine interface and a method for operating such.

Mensch-Maschine-Interfaces sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen beispielsweise der Steuerung von Computern, Prothesen oder robotischen Exoskeleten. Grundsätzlich kann ein Mensch-Maschine-Interface für die Eingabe eines beliebigen Befehls an die Steuerung einer Vorrichtung verwendet werden. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, als Mensch-Maschine-Interface elektromyographische Verfahren zu verwenden, die es erlauben, die Aktivierung einzelner Muskeln eines Körperteils eines Benutzers zu erkennen. Hierzu ist die Oberflächen-Elektromyographie bekannt, bei der die Elektroden auf der Haut aufgebracht werden.Human-machine interfaces are known from the prior art and serve, for example, the control of computers, prostheses or robotic exoskeletons. Basically, a man-machine interface may be used to input any command to the controller of a device. It is known from the prior art to use, as a human-machine interface, electromyographic methods which make it possible to detect the activation of individual muscles of a body part of a user. For this purpose, the surface electromyography is known, in which the electrodes are applied to the skin.

Auch ist es bekannt, Drucksensoren zu verwenden, die auf die Haut gepresst werden, sodass es vom Drucksensor registriert wird, wenn ein darunterliegender Muskel sich anspannt.It is also known to use pressure sensors that are pressed against the skin so that it is registered by the pressure sensor when an underlying muscle tenses.

Bei der Oberflächen-Elektromyographie besteht das Problem, dass die Kontaktierung der Haut unter Umständen schlecht ist und sich über die Zeit verändern kann beispielsweise aufgrund von Schweißbildung oder Bewegungen des Benutzers. Weiterhin ist die Signalgewinnung und Signalverarbeitung von sehr kleinen Potentialen im Mikrovolt- bis Millivoltbereich unter einer hochimpendanten Kontaktierung (viele Kiloohm bis mehrere Megaohm) sehr schwierig.Surface electromyography has the problem that skin contact may be poor and may change over time, for example due to perspiration or user movement. Furthermore, the signal acquisition and signal processing of very small potentials in the microvolt to millivolt range under a hochimpendanten contacting (many kiloohms to several megohms) is very difficult.

Die Verwendung von Drucksensoren ist dahingehend nachteilig, dass diese Sensoren relativ stark auf die Haut gepresst werden müssen, was auf Dauer für den Benutzer unangenehm werden kann. Weiterhin muss sich jeder einzelne Sensor möglichst stabil und großflächig abstützen, um Messwerte zu liefern. Dies erfordert eine sehr rigide Halterung der Sensoren, was die Bequemlichkeit und Benutzerfreundlichkeit einschränkt.The use of pressure sensors is disadvantageous in that these sensors must be relatively strongly pressed to the skin, which can be unpleasant in the long run for the user. Furthermore, each individual sensor must be supported as stable and as large as possible in order to provide measured values. This requires a very rigid mounting of the sensors, which limits the convenience and ease of use.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mensch-Maschine-Interface bereit zu stellen, das genaue Messwerte liefert und gleichzeitig benutzerfreundlich ist. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Mensch-Maschine-Interface bereit gestellt werden. Es ist bevorzugt, dass mindestens ein Beschleunigungssensor pro zu detektierenden Muskel verwendet wird. In den meisten Fällen werden pro zu detektierenden Muskel mehrere Beschleunigungssensoren verwendet.The object of the invention is to provide a man-machine interface that provides accurate readings while being user-friendly. Furthermore, a method for operating such a man-machine interface is to be provided. It is preferred that at least one acceleration sensor be used per muscle to be detected. In most cases, several acceleration sensors are used per muscle to be detected.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8.The object is achieved by the features of claims 1 and 8.

Das erfindungsgemäße Mensch-Maschine-Interface weist eine Vielzahl von Beschleunigungssensoren auf und ferner mindestens eine Haltevorrichtung, die die Beschleunigungssensoren an der Haut des Benutzers hält. Hierbei kann auch ein mittelbarer Kontakt zu der Haut des Benutzers stattfinden, beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Element, durch das Beschleunigungen der Hautoberfläche eines Benutzers an die Beschleunigungssensoren weitergegeben werden.The human-machine interface according to the invention has a multiplicity of acceleration sensors and, furthermore, at least one holding device which holds the acceleration sensors against the skin of the user. In this case, an indirect contact with the skin of the user can also take place, for example via an intermediate element, by means of which accelerations of the skin surface of a user are passed on to the acceleration sensors.

Das erfindungsgemäße Mensch-Maschine-Interface weist ferner einen Prozessor auf zum Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus den von dem Beschleunigungssensoren erfassten Muskelbewegungen des Benutzers.The human-machine interface according to the invention also has a processor for calculating an input command desired by the user from the muscle movements of the user detected by the acceleration sensor.

Die Verwendung von Beschleunigungssensoren zum Erfassen der Muskelbewegung des Benutzers ist vorteilhaft, da sie unabhängig von Kontaktschwierigkeiten arbeiten kann, wie sie beispielsweise aus der Oberflächen-Elektromyographie bekannt sind. Gleichzeitig ist es jedoch nicht notwendig, die Sensoren mit einem großen Druck auf die Haut des Benutzers zu pressen. Es werden somit genauere Sensorwerte erreicht, während gleichzeitig die Benutzerfreundlichkeit erhöht wird.The use of acceleration sensors for detecting the muscular movement of the user is advantageous because it can operate independently of contact difficulties, as they are known for example from the surface electromyography. At the same time, however, it is not necessary to press the sensors with a great pressure on the skin of the user. This results in more accurate sensor readings while increasing ease of use.

Es ist bevorzugt, dass die Haltevorrichtung ein Kleber ist, mit dem die Beschleunigungssensoren des Benutzers gehalten werden.It is preferred that the holding device is an adhesive with which the user's acceleration sensors are held.

Alternativ ist es möglich, dass die Haltevorrichtung schlauchförmig oder stumpfförmig ausgebildet ist, sodass sie über ein Körperteil des Benutzers beispielsweise über den Armstumpf eines Handamputierten ziehbar ist, sodass hierdurch zum Beispiel Eingabebefehle für eine Prothese generiert werden können.Alternatively, it is possible that the holding device is formed tubular or frustum-shaped, so that it can be pulled over a body part of the user, for example via the arm stump of a hand amputee, so that, for example, input commands for a prosthesis can be generated.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Haltevorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Beschleunigungssensoren innerhalb eines Toleranzbereichs zueinander beweglich sind. Dies ist insofern erforderlich, als dass Beschleunigungssensoren zur Erfassung von Beschleunigungen selbstverständlich beweglich sein müssen. Hierdurch entfällt eine besonders rigide Aufhängung der Sensoren, sodass hierdurch die Benutzerfreundlichkeit erhöht wird.Furthermore, it is preferred that the holding device is designed such that the acceleration sensors are mutually movable within a tolerance range. This is necessary insofar as acceleration sensors for detecting accelerations must, of course, be movable. This eliminates a particularly rigid suspension of the sensors, so that the user friendliness is increased.

In bevorzugter Ausführungsform sind die Beschleunigungssensoren eindimensionale Sensoren. Sie können jedoch auch mehrdimensionale Sensoren, insbesondere dreidimensionale Sensoren oder Inertial Measurement Units (IMU's) sein. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass Beschleunigungen von mehr als einem Tausendstel der Erdbeschleunigung zu erwarten wären.In a preferred embodiment, the acceleration sensors are one-dimensional sensors. However, they can also be multi-dimensional sensors, in particular three-dimensional sensors or inertial measurement units (IMU's). Investigations by the applicant have shown that accelerations of more than one thousandth of the gravitational acceleration would be expected.

Es ist bevorzugt, dass das Mensch-Maschine-Interface zum Erfassen der Muskelbewegung des Benutzers als Sensoren ausschließlich Beschleunigungssensoren und keine weiteren Sensoren aufweist.It is preferred that the human-machine interface for detecting the user's muscle movement as sensors has only acceleration sensors and no further sensors.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Mensch-Maschine-Interface, insbesondere wie es bisher beschrieben wurde. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Aufbringen einer Vielzahl an Beschleunigungssensoren an der Haut eines Benutzers durch eine Haltevorrichtung
  • - Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus den von den Beschleunigungssensoren erfassten Muskelbewegungen des Nutzers.
The invention further relates to a method for operating a human-machine interface, in particular as has been described so far. The method comprises the steps:
  • - Applying a plurality of acceleration sensors to the skin of a user by a holding device
  • Calculating a user-desired input command from the muscle movements of the user detected by the acceleration sensors.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass zum Erfassen der Muskelbewegung des Benutzers als Sensoren ausschließlich Beschleunigungssensoren verwendet werden. Alternativ ist es auch möglich, eine Sensorfusion mit anderen Methoden, beispielsweise der Elektromyographie oder einer Kraftmessung, vorzunehmen.Furthermore, it is preferred that for detecting the muscle movement of the user as sensors exclusively acceleration sensors are used. Alternatively, it is also possible to make a sensor fusion using other methods, for example electromyography or a force measurement.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass ein Ermitteln einer gemeinsamen Bewegung der Beschleunigungssensoren erfolgt, die durch eine Bewegung des gesamten Körperteils des Benutzers verursacht wird, an dem die Beschleunigungssensoren angebracht sind. Beispielsweise ist es möglich, dass der Benutzer gerade seinen Arm willentlich bewegt und somit alle Beschleunigungssensoren, die an diesem Arm angebracht sind, mitbewegt werden. Die durch diese Bewegung der Beschleunigungssensoren verursachten Beschleunigungen der Sensoren werden entfernt, sodass lediglich deren Relativbewegungen zueinander übrig bleiben und für die weitere Verarbeitung berücksichtigt werden. Durch die genannten Verfahrensschritte wird die Messgenauigkeit erheblich verbessert. It is further preferred that a determination is made of a common movement of the acceleration sensors, which is caused by a movement of the entire body part of the user to which the acceleration sensors are attached. For example, it is possible for the user to deliberately move his arm and thus move all of the acceleration sensors attached to that arm. The accelerations of the sensors caused by this movement of the acceleration sensors are removed so that only their relative movements are left to each other and taken into account for further processing. By the mentioned method steps, the measurement accuracy is significantly improved.

Im Folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Figur erläutert.In the following, a preferred embodiment of the invention is explained with reference to a figure.

Die Figur zeigt schematisch den Aufbau eines Mensch-Maschine-Interface.The figure shows schematically the structure of a human-machine interface.

Das Mensch-Maschine-Interface 10 ist in der Ausgestaltung gemäß der Figur mit einer schlauchförmigen Haltevorrichtung 14 ausgestattet, die über den Armstumpf 18 eines Benutzers gezogen wird. Durch diese Haltevorrichtung 14 werden die Beschleunigungssensoren 12 an der Hautoberfläche 16 des Benutzers gehalten. Es ist bevorzugt, eine möglichst große Zahl an Sensoren zu verwenden, beispielsweise mehr als 6 eindimensionale Beschleunigungssensoren oder mehr als 2 dreidimensionale Beschleunigungssensoren. Die Bewegung der Muskeln und Sehnen im Körperteil des Benutzers verursachen eine Bewegung der darüber liegenden Haut 16, die durch die Beschleunigungssensoren 12 erfasst wird. Hieraus lassen sich gewünschte Eingabebefehle herleiten, beispielsweise unter Verwendung detaillierter Modelle des Unterarms inklusive der Muskeln, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Weiterhin können lernende Systeme verwendet werden, die wiederkehrende Muster auf spezifische Aktionen abbilden können.The human-machine interface 10 is in the embodiment according to the figure with a tubular holding device 14 fitted over the stump 18 a user is dragged. By this holding device 14 become the acceleration sensors 12 on the skin surface 16 held by the user. It is preferred to use as many sensors as possible, for example more than 6 one-dimensional acceleration sensors or more than 2 three-dimensional acceleration sensors. The movement of the muscles and tendons in the body part of the user cause movement of the overlying skin 16 caused by the acceleration sensors 12 is detected. From this, desired input commands can be derived, for example, using detailed models of the forearm including the muscles known in the art. Furthermore, learning systems can be used that can map recurring patterns to specific actions.

Die Haltevorrichtung 14 kann Beispielseise als ein flexibles und dehnbares Gewebe ausgebildet sein.The holding device 14 For example, it may be formed as a flexible and stretchable fabric.

Bevorzugt können die Sensoren eine Berührung mit der Umgebung detektieren, so dass weitere Eingabemöglichkeiten geschaffen werden können. Beispielsweise ist es möglich zu detektieren, dass ein Benutzer sich auf den Unterarm tippt und hierdurch ein spezieller Eingabebefehl erzeugt wird. Auch kann ein Tastenfeld in die Haltevorrichtung 14 integriert werden. Eine Erfassung von Eingabebefehlen kann ferner durch Knock-Codes oder andere freie Berührungen erfolgen.Preferably, the sensors can detect a contact with the environment, so that further input options can be created. For example, it is possible to detect that a user taps the forearm and thereby generates a special input command. Also, a keypad in the holding device 14 to get integrated. Detection of input commands can also be done by knock codes or other free touches.

Weiterhin ist es möglich zu detektieren, falls mehrere Sensoren zwischen dem Körperteil 18 des Benutzers und einem festen Gegenstand, beispielsweise einem Tisch eingeklemmt sind. Hierdurch würden sich leicht veränderte Muster bei den restlichen Sensoren ergeben. Das Detektieren eines solchen Zustandes kann hilfreich sein, um Fehlinterpretationen auszuschließen.Furthermore, it is possible to detect if several sensors between the body part 18 the user and a solid object, such as a table are clamped. This would result in slightly different patterns in the remaining sensors. Detecting such a condition can be helpful in eliminating misinterpretations.

Claims (11)

Mensch-Maschine-Interface (10), mit - einer Vielzahl von Beschleunigungssensoren (12), - mindestens einer Haltevorrichtung (14), die die Beschleunigungssensoren (12) an der Haut (16) eines Benutzers hält, - einem Prozessor zum Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus den von dem Beschleunigungssensor erfassten Muskelbewegungen des Benutzers.Human machine interface (10), with a plurality of acceleration sensors (12), at least one holding device (14) which holds the acceleration sensors (12) against the skin (16) of a user, a processor for calculating a user-desired input command from the muscle movements of the user detected by the acceleration sensor. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung ein Kleber ist, mit dem die Beschleunigungssensoren (12) an der Haut (16) des Benutzers gehalten werden.Method according to Claim 1 , characterized in that the holding device is an adhesive with which the acceleration sensors (12) are held against the skin (16) of the user. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (14) schlauchförmig oder strumpfförmig ausgebildet ist, sodass sie über ein Körperteil des Benutzers ziehbar ist.Method according to Claim 1 , characterized in that the holding device (14) is formed tubular or hull-shaped, so that it can be pulled over a body part of the user. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (14) derart ausgestaltet ist, dass die Beschleunigungssensoren (12) innerhalb eines Toleranzbereichs zueinander beweglich sind.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the Holding device (14) is configured such that the acceleration sensors (12) are mutually movable within a tolerance range. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (12) eindimensionale Sensoren sind.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the acceleration sensors (12) are one-dimensional sensors. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (12) dreidimensionale Sensoren sind.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the acceleration sensors (12) are three-dimensional sensors. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (12) Inertial Measurement Units (IMU's) sind.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the acceleration sensors (12) are inertial measurement units (IMU's). Verfahren zum Betreiben eines Mensch-Maschine-Interface (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten: - Aufbringen einer Vielzahl an Beschleunigungssensoren (12) an der Haut (16) eines Benutzers durch eine Haltevorrichtung (14) - Berechnen eines vom Benutzer gewünschten Eingabebefehls aus dem von den Beschleunigungssensoren (12) erfassten Muskelbewegungen des Nutzers.Method for operating a human-machine interface (10), in particular according to one of Claims 1 to 7 method comprising the steps of: - applying a plurality of acceleration sensors (12) to the skin (16) of a user by a holding device (14) - calculating a user-desired input command from the muscle movements of the user detected by the acceleration sensors (12). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Muskelbewegungen des Benutzers als Sensoren ausschließlich Beschleunigungssensoren (12) verwendet werden.Method according to Claim 8 , characterized in that for detecting the muscle movements of the user as sensors exclusively acceleration sensors (12) are used. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt: - Ermitteln einer gemeinsamen Bewegung der Beschleunigungssensoren (12), die durch eine Bewegung des gesamten Körperteils (18) des Benutzers verursacht wird, an dem die Beschleunigungssensoren (12) angebracht sind, - Entfernen der durch diese Bewegung der Beschleunigungssensoren (12) verursachten Beschleunigungen der Beschleunigungssensoren (12), sodass lediglich deren relative Beschleunigung zueinander übrig bleiben.Method according to one of Claims 8 or 9 characterized by the additional step of: detecting a movement of the acceleration sensors (12) in common caused by a movement of the whole body part (18) of the user to which the acceleration sensors (12) are attached; Acceleration sensors (12) caused accelerations of the acceleration sensors (12), leaving only their relative acceleration to each other. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Eingabebefehle durch externe Berührungen der Beschleunigungssensoren (12) und/oder der Haltevorrichtung (14), insbesondere durch einen anderen Körperteil des Benutzers detektiert werden.Method according to one of Claims 8 to 10 , characterized in that additional input commands are detected by external touches of the acceleration sensors (12) and / or the holding device (14), in particular by another body part of the user.
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